2018, Vol. 24 
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2015年中国玉米种植面积为0.38亿hm2，产量达2246亿kg，是我国种植面积最大的粮食作物。其中，东北三省玉米种植面积占全国的28.1%，产量占全国的34.5%，是我国玉米重要的生产和加工基地[1–2]。近年来，为提高玉米单产，化肥用量持续增加，造成肥料利用率下降，氮素冗余，农田环境污染问题严重[3–4]；连年耕作，使肥沃土壤表层风蚀严重，土壤板结，降低了土壤的抗逆性能，制约了玉米根系的生长，增产不增收现象日益突显[5]，如何协调作物与环境之间的关系也越来越受到较多人关注[6]。适宜的土壤物理环境和合理的养分供应是作物高产高效的基本保证[7]。靳立斌等[8]对不同综合农艺管理下夏玉米氮效率进行了研究，表明高产高效处理在提高产量和氮效率的同时，减少了土壤硝态氮积累量。张宏等[9]研究表明硝态氮的淋失不仅与土壤的施氮量有关，而且与影响土壤水分状况的栽培模式也有密切的关系，且在不同农学管理方式下土壤物理性状和作物根系生长发育情况显著不同，大量研究表明农学管理方式可影响土壤理化性状，以及根系的生长、分布和功能，是引起玉米产量增长或减损的一个重要因素[10–12]。张玉芹等[13]研究表明超高产栽培方式使玉米根系抗衰老能力逐渐增强，为保证籽粒灌浆提供了有利条件，根系具有可塑性[14]，在其生长过程中可以感知土壤养分状况的变化[15]，土壤容重较大时，根系生长范围受到限制，根系表面积、根系总体积和总根长也显著降低[16]。解析农学管理方式对土壤物理性状的影响以及土壤物理性状和根系生长、养分相互关系对高效利用水肥资源具有重要意义[17]。因此如何通过不同农学管理方式调控土壤物理性状，挖掘根系生物学潜力，提高作物根系对养分的吸收亦越来越受到关注。但以往对于农学管理方式下春玉米土壤物理性状及根系的研究多集中在单一的栽培因子处理[18]，单一的产量增加[19–20]或土壤性状[21–22]、养分利用效率[23–24]及根系性状[25–26]等层面上，综合评价不同农学管理方式下春玉米土壤物理性状特征研究报道较少，也缺乏根系动态变化对不同农学管理方式响应的研究。本研究从土壤–作物互作体系协调管理的角度，研究综合农学管理方式对作物根系建成、土壤理化性状及土壤养分的影响，旨在为春玉米高产高效生产提供理论支撑。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验设在吉林省公主岭市吉林省农业科学院试验田 (124°48′43″E、43°29′55″N)，海拔221 m。试验田为玉米连作区，始于2009年，玉米生育期间平均气温为19.6℃左右，无霜期125～140 d，有效积温2600～3000℃，总日照时数约1220 h。2009年、2010年和2011年降雨量分别为254.8 mm、628.2 mm和320.6 mm (图1)。供试土壤为黑土，0—20 cm耕层土壤主要性状：有机质26.4 g/kg、碱解氮244.0 mg/kg、有效磷35.9 mg/kg、速效钾140 mg/kg、pH值6.59。2009年播前0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm土壤硝态氮和铵态氮的含量分别为7.47、4.82、6.35 mg/kg和5.03、5.12、4.08 mg/kg。
1.2 试验设计以先玉335为供试品种，试验设4种综合农学管理模式：1) 按照当地农户习惯，种植密度5.0万株/hm2，一次性施化肥N 225、P2O5 82.5、K2O 67.5 kg/hm2，灭茬旋耕 (CK)；2) 种植增密至6.0万株/hm2，化肥用量为N 195、P2O5 75、K2O 82.5 kg/hm2，氮肥分两次施用，播前和拔节期分别施78和117 kg/hm2，基施有机肥15000 kg/hm2及中微肥60 kg/hm2，灭茬旋耕 (Opt-1)；3) 施化肥量为N 300、P2O5120、K2O 120 kg/hm2，氮肥分三次施用，播前、拔节和抽雄期分别施用120、120、60 kg/hm2，磷肥和钾肥分两次施用，播前和拔节期分别施用96和24 kg/hm2，基施有机肥15000 kg/hm2及中微肥150 kg/hm2，种植密度7.0万株/hm2，深松 (Opt-2)；4) 施化肥N 225、P2O5 90、K2O 90 kg/hm2，氮肥分三次施用，播前、拔节和抽雄期分别施用90、90、45 kg/hm2，磷肥和钾肥分两次施用，播前和拔节期分别施用72和18 kg/hm2，有机肥、中微肥和种植密度同Opt-2 (Opt-3)。微肥为锌、锰、硼复混肥，比例为2∶1∶1；有机肥中全氮、全磷、全钾的含量分别为16.6 g/kg、5.9 g/kg、20.6 g/kg。每个处理重复4次，小区面积144 m2，随机区组排列。4种模式的其它田间管理方式一致。
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| 图1 2009—2011年试验区玉米生育期降雨量 Fig. 1 Precipitation in the experiment field during maize growth stages from 2009 to 2011 |
玉米根系取样采用剖面挖取法 (2011年)。分别于6展叶期 (V6)、12展叶期 (V12)、吐丝期 (R1)、乳熟期 (R3)、成熟期 (R6) 挖取根系样品；每个小区选取长相均匀的植株2株，以每株所占土地面积为界，0—40 cm每10 cm一层，40—60 cm一层 (其中V6期至40 cm深)。每层土体中的所有可见根系由人工挑出，用水冲洗干净，根系上附着的水用吸干纸吸干后放入封口袋，–20℃冰箱中保存。每层根系分别用扫描仪 (Epson V700) 扫描后获得根系图片，利用WinRhizoPro5.0软件分析 (Pro2004b，Canada) 获得根长、根表面积等指标，然后烘干称重。挖取根系的同时取相应土层土壤样品，放入冰盒，带回实验室用0.01 mol/LCaCl2浸提，TRACCS2000型连续流动分析仪测定土壤铵态氮、硝态氮。固液气三相比例采用日产土壤三相测量仪 (DIK-1130) 测定，0—40 cm每10 cm一层，40—60 cm一层。同时每个处理选取有代表性的植株3株，分别将植株叶、茎 (鞘)、籽粒、穗轴等器官分开，烘干，粉碎，采用凯氏定氮法测定氮含量。成熟期收获中间2行玉米，装入尼龙网袋，晒干脱粒称重，用PM-8188-A型谷物水分测定仪测定水分含量，以含水量14%的重量折算小区产量。
1.4 数据分析方法所有处理下根系形态指标均折算成单位体积的，以便于准确评价处理间差异。所有数据均采用Microsoft Excel 2010 软件处理后，用Origin 9.0作图，用SAS 8.0统计软件进行方差分析和多重比较。
2 结果与分析 2.1 不同农学管理模式下春玉米产量和吸氮量CK、Opt-1、Opt-2、Opt-3 4种模式下三年平均产量分别为8852、9922、10203和10084 kg/hm2。由图2可知，试验的第一年 (2009年) 4个处理间的产量差异不显著，第二年 (2010年)、第三年 (2011年)，Opt-1、Opt-2、Opt-3处理较CK平均分别增产12.1%、15.3% 和13.9%，增产均达到显著水平，但三个处理间差异不显著。
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| 图2 2009—2011年不同农学管理模式下春玉米产量 Fig. 2 Grain yields under different agronomic managements from 2009 to 2011 [注（Note）：柱上不同字母表示同一年份不同处理间差异显著 (P < 0.05) Different letters above bars mean significant differences among treatments in the same year at the 5% level.] |
从氮素吸收量看，2009年Opt-1、Opt-2、Opt-3处理植株吸氮量均显著高于CK，2010年Opt-2处理显著高于其他三个处理，2011年各处理间差异均不显著 (图3)。2010年Opt-2处理植株吸氮量显著高于其他三个处理，主要是因为Opt-2处理氮肥用量高达300 kg/hm2，分三次施用，且磷钾充足，加之2010年降雨量较大，玉米生育期内超过600 mm，促进了植株对氮素的吸收，但吸收的氮素更多集中于茎叶中，其茎叶吸氮量占整株的34.7%，籽粒吸氮量占整株的65.2%，Opt-1处理茎叶吸氮量仅为29.4%，籽粒吸氮量占整株68.6%。可见，Opt-2处理转化为经济 (籽粒) 产量的效率仍然相对较低，造成植株对氮素的奢侈吸收。
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| 图3 2009—2011年不同农学管理模式下春玉米吸氮量 Fig. 3 N uptakes under different agronomic managements from 2009 to 2011 [注（Note）：柱上不同字母表示同一年份不同处理间差异显著 (P < 0.05) Different letters above bars mean significant differences among treatments in the same year at the 5% level.] |
土壤固相、液相和气相三相比能够有效表征土壤结构的变化。4种模式下0—60 cm土层土壤均以固相为主，范围在43.9%～69.7%，液相和气相范围分别为16.9%～35.6%、3.5%～35.5% (图4)。理想的土壤三相比为固相50%，液相和气相各25%[27]，本研究中各处理仅液相比例接近理想值，固相所占比例较大，气相比例较低，各处理三相比为CK处理6∶3∶1，Opt-1处理5∶2∶1，Opt-2处理4∶2∶1，Opt-3处理6∶3∶2，仅Opt-3处理与理想状态相近。随着生育进程的不断推进，固相、液相比例逐渐减少，气相比例逐渐增加，Opt-1、Opt-2、Opt-3处理下更趋明显。与CK相比，Opt-2、Opt-3处理在拔节期深松后，吐丝期和乳熟期固相比例有所下降，尤以乳熟期较为显著。在此过程中，液相和气相比例在不同程度上有所增加，深松作业后的土壤三相比更加接近于理想状态。在乳熟期，各处理总体趋势为液相所占比例高于气相。在0—10 cm土层，Opt-1和Opt-3处理的气相比例高于液相比例，进一步说明了这两个处理的土壤通气性要好于其他两个处理，这可能与施肥量及施肥方式有关。至成熟期，各农学管理方式在土壤表层即0—10 cm土层液相比例低于气相比例，10—60 cm土层均为固相 > 液相 > 气相，且Opt-3处理固相比例低于其他模式。
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| 图4 不同农学管理模式下春玉米不同生育期土壤气相、液相和固相组成 Fig. 4 Percentage of the gaseous, liquid and soild in soils under different agronomic managements [注（Note）：V6—6片展叶Six expanded leaves；V12—12片展叶Twelve expanded leaves；R1—吐丝期Skilling stage；R3—乳熟期Milk ripening stage；R6—完熟期Physiological mature stage.] |
随着生育期的不断推进，4种模式下0—60 cm土层根系总干重均在吐丝期达到峰值，而后下降，呈单峰曲线变化 (图5)。在6展叶期，各处理间0—60 cm土层根系干重无显著性差异，与0—10 cm土层趋势一致，仅CK处理略高于其他处理，随着土层的不断加深，各处理根系干重呈递减趋势；在12展叶期，0—60 cm土层根系干重除CK处理外，均大幅上升，且Opt-3和Opt-1处理显著高于Opt-2处理；在吐丝期，0—60 cm土层根系干重大小顺序为Opt-2 > Opt-1 > Opt-3 > CK，且处理间差异显著 ( P < 0.05)，各处理均以0—10 cm土层的根系干重比例最大 (66.4%～83.6%)；至成熟期，各处理0—60 cm土层根系干重均呈下降趋势，Opt-2处理仍高于其他处理。在整个生育期，各处理在0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土层均与0—60 cm土层根系干重趋势一致，但随着土层深度的不断加深，峰值拐点逐渐从吐丝期提前至12展叶期，直至40—60 cm土层 (CK处理除外)，Opt-1、Opt-2和Opt-3处理均在12展叶期根系干重达到最大值，随后趋于平缓。
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| 图5 不同农学管理模式下春玉米生育期不同土层根系干重的变化 Fig. 5 Changes of the root dry weight in different soil depths during different growth periods of maize under different agronomic managements [注（Note）：V6—6片展叶Six expanded leaves；V12—12片展叶Twelve expanded leaves；R1—吐丝期Skilling stage；R3—乳熟期Milk ripening stage；R6—完熟期Physiological mature stage.] |
在生育初期，CK、Opt-1处理根系总干重高于Opt-2和Opt-3，这可能与植株的种植密度有关。但吐丝期后，Opt-2和Opt-3处理根系总干重大于CK和Opt-1处理，这可能是由于12展叶期Opt-2和Opt-3处理进行了深松追施氮肥，使得养分供给更加充分，深松后更加有利于扩充其可利用的肥水供应。
2.3.2 根长密度的时空分布特征四种模式下根长密度随生育期推进，均在吐丝期达到最高值，而后呈单峰曲线下降趋势 (图6)，这与根系总干重表现一致。Opt-1、Opt-2、Opt-3三种模式下整个生育期的根长密度显著高于CK，各土层的根长密度随生育期也均呈单峰曲线变化。CK、Opt-1、Opt-2、Opt-3处理均以0—10 cm土层中的根长比例最大 (52.9%～76.2%)，随着土层深度的不断加深，其比值呈逐渐递减趋势。在6展叶期，各处理0—60 cm土层根长密度以Opt-1处理最高；在12展叶期，0—60 cm土层根长密度除CK处理外，均大幅上升，这与根系干重变化趋势一致；在吐丝期，0—60 cm土层根长密度仍以Opt-2处理最高，Opt-2处理和Opt-3处理在30—40 cm及40—60 cm根长较CK处理显著增加 (P < 0.05)，这说明深松后促进了植株根系的生长发育，增加了其在深层土壤中根系分布的比例；至成熟期，各处理0—60 cm土层根长密度均呈下降趋势，Opt-2处理下降幅度最大为39.7%。
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| 图6 不同农学管理模式下不同土层深度春玉米根长密度随生育期的变化 Fig. 6 Changes of root length density in different soil depths along with growth periods of maize under different managements [注（Note）：V6—6片展叶Six expanded leaves；V12—12片展叶Twelve expanded leaves；R1—吐丝期Skilling stage；R3—乳熟期Milk ripening stage；R6—完熟期Physiological mature stage.] |
不同模式的根表面积与总根系干重和总根长密度趋势大致相同，均于吐丝期达最大值 (图7)，之后迅速下降，在乳熟期趋于平缓。Opt-2和Opt-3处理根系总表面积显著高于CK处理和Opt-1处理，各土层的根系表面积随生育期推进均呈单峰曲线变化。CK、Opt-1、Opt-2、Opt-3处理均以0—10 cm土层中的根表面积比例最大 (41.7%～75.8%)。在6展叶期，0—60 cm土层根表面积以Opt-1处理最高；至12展叶期，0—60 cm土层根表面积除CK处理外，均大幅上升，其中Opt-2处理根表面积高于其他处理，这种优势一直持续至乳熟期，直到成熟期Opt-3处理0—60 cm土层根表面积才略高于Opt-2处理。Opt-2和Opt-3处理在30—40 cm及40—60 cm根表面积比CK处理显著增加 (P < 0.05)，这与根长密度表现一致。
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| 图7 不同农学管理模式下不同土层深度春玉米根系表面积随生育期的变化 Fig. 7 Changes of the total root surface area in different soil depths along with growth periods of maize under different managements [注（Note）：V6—6片展叶Six expanded leaves；V12—12片展叶Twelve expanded leaves；R1—吐丝期Skilling stage；R3—乳熟期Milk ripening stage；R6—完熟期Physiological mature stage.] |
由图8可知，四种模式在0—10 cm土层硝态氮含量均表现为12展叶期 > 吐丝期 > 乳熟期，而其他三个生育期因管理方式不同，土壤表层硝态氮含量大小顺序也略有不同，但从整体来看四种农学管理方式下的硝态氮含量均随着土层的加深，而呈不断下降趋势，并在30—40 cm和40—60 cm土层深度趋于平缓。与CK处理相比，Opt-1、Opt-2、Opt-3处理在玉米吐丝期0—60 cm土壤硝态含量分别降低45.7%、31.0%、23.2% ( P < 0.05)，在乳熟期和成熟期0—60 cm土壤硝态氮含量分别降低43.7%、37.8%、27.2%和35.5%、37.7%、25.0% ( P < 0.05)。与CK处理相比，Opt-1、Opt-2、Opt-3处理硝态氮淋失量显著降低。结合根干重、根长密度和根表面积表现，可知Opt-2和Opt-3处理根系向下纵深生长，且较为发达，吸收氮素较多。即优化后的施氮处理可减少硝态氮在土壤中的残留，避免氮素的奢侈吸收，促进根系下扎和吸收土壤养分。
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| 图8 不同农学管理模式下0—60 cm土层硝态氮动态变化 Fig. 8 Changes of NO3–-N in 0–60 cm soil layer during different growth periods of maize under different managements [注（Note）：V6—6片展叶Six expanded leaves；V12—12片展叶Twelve expanded leaves；R1—吐丝期Skilling stage；R3—乳熟期Milk ripening stage；R6—完熟期Physiological mature stage.] |
与之相比，在6展叶期，CK处理0—10 cm土层硝态氮含量显著高于其他处理，这与根系干重、根表面积表现一致，这可能与其采用一次性施肥方法有关，前期氮素较高在一定程度上促进了根系的发育，但随着生育期的不断推进，受水分条件及种植密度等多因素影响，氮素对根系生长的促生作用减弱。
3 讨论 3.1 不同农学管理模式对春玉米产量和养分积累的影响有研究指出，东北地区近20年玉米总产量增加主要靠种植面积的增加[28]。为实现产量和效率的协同提升，本研究在增加种植密度的基础上，增加养分运筹和深松作业措施，并以此三项技术作为核心，系统研究了综合农学管理对春玉米产量、土壤物理性状及根系构成和养分吸收的影响。研究结果表明，Opt-2处理吸氮量为248 kg/hm2，与Opt-1和Opt-3处理相比，其氮肥用量分别增加58%和33%，吸氮量仅增加9.5%和6.9%，但产量无显著差异。说明Opt-2处理一方面促进了植株对氮素的吸收，另一方面转化为经济 (籽粒) 产量的效率却较低。近年来，农民种植玉米时一般采用一次性施肥，也叫“一炮轰”，施氮过量使营养体氮素代谢过量，导致玉米前期烧苗，后期脱肥，加之未进行合理的深松作业，化肥用量的增加并没有显著提高玉米单产，施肥效益没有增加，造成了经济和环境效益的双重损失。
3.2 不同农学管理模式对春玉米土壤物理性状的影响传统农业的不合理耕作导致土壤耕层变薄，土壤犁底层增厚，作物根系深扎阻力不断增大，阻碍了土壤上、下水气的贯通和天然降水的贮存，使得土壤干旱现象逐年加剧[29]。张丽[30]发现深松和培肥可打破土壤犁底层，显著降低粘土和壤土10—30 cm土层范围内的土壤容重，改善粘土和壤土20—30 cm土层土壤固、气、液三相状况。研究表明，固相容积较大土层其相应土壤容重也较大，土壤容重过大，会影响土壤水肥气热等，进而影响作物根系在土壤中的穿插，对作物生长造成一定的影响[31]。Li等[32]研究表明，黑土的土壤容重在耕作后会随着玉米生育进程逐渐向初始状态恢复。通过深松、深追肥和增施有机肥可有效减缓其恢复速率[33]。本研究中，与CK相比，Opt-2、Opt-3处理在拔节期深松后，固相比例有所下降，尤以乳熟期较为显著，各土层平均分别降低了8.8%和7.4%。说明深松可有效增加土壤气相，减少土壤固相所占比例，进而增加土壤的通透性，减缓黑土自身容量的恢复速率，促进了根系的有效下扎。
3.3 不同农学管理模式对春玉米根系建成及养分吸收的影响根系是作物氮素吸收的主要器官，在很多条件下控制和影响整个植株的生长发育，氮素吸收依赖于两个方面，一是根系大小，二是根系吸收性能[34]。为了保证作物能够实现高产高效，不但需要土壤有充足的养分供给，适宜的土壤条件也尤为重要[35]。前人研究表明在一定范围内适当增加种植密度、分次合理施氮和适期收获等综合农艺措施优化可提高深层根系分布比例，增加根系干重、根表面积，提升根系吸收肥水的能力[36]，这与本文研究结果相一致。Opt-1、Opt-2、Opt-3处理下的根长、根重和根表面积均高于CK。吐丝期Opt-2、Opt-3处理在30—40 cm土层根长密度和根表面积较CK处理显著增加，根长和根表面积比CK处理分别增加36.6%、44.6%和34.9%、37.1%，且在吐丝期后根系总干重均显著大于CK和Opt-1处理，这说明深松促进了植株根系的生长发育，增加了其根系在30—60 cm的分布比例。深层根系发达是超高产春玉米根系分布的主要特征，深层土壤根系比例的增加，更有利于玉米对土壤水分和养分的吸收，且深层土壤中根系环境相对稳定，有助于增强植株对土壤不良环境的缓冲能力，提高抗逆性，延长根系活力，延缓生育后期根系衰老，保持根系对地上部营养和水分的供应能力[31]。
4 结论本研究中最优处理Opt-3产量和吸氮量较CK处理增幅分别达13.9%和9.5%。Opt-3处理下土壤液相和气相比例显著高于其他处理，为根系建成提供了良好的环境，在12展叶期即完成了深层 (30—60 cm) 根系的构建，且至成熟期根长密度和根表面积仍显著高于CK，有效地延长了根系对水分和养分的吸收时间，从而实现春玉米产量和效率的协同提高。
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